Desafío al que se enfrentan las ciencias del espacio al tratar de esclarecer la naturaleza de dos enigmáticos “no fenómenos”, la materia oscura y la energía oscura, que no pueden observarse directamente ni a través de los mejores telescopios ni detectores.

Brian Schmidt, premio Nobel en 2011 por descubrir que el Universo se estaba expandiendo aceleradamente, se esforzaba el pasado abril en una conferencia en intentar transmitir a un heterogéneo público lo que supuso en su momento dicho hallazgo: “Lo que observamos fue como si al tirar una pelota en el aire en vez de caer por su propio peso, desapareciera alejándose cada vez más rápido sin que la gravedad pudiera influir en su trayectoria. Algo similar parecía estar pasando en todo el Universo.”

El astrofísico australiano formaba parte de uno de los dos equipos que en 1994 empezaron a estudiar un tipo concreto de supernovas, especialmente luminosas, para medir la tasa de expansión del Universo. Hasta entonces se pensaba que al ser las fuerzas gravitatorias las reinantes en el cosmos, lo más lógico sería que la expansión del Universo se encontrara en un proceso de desaceleración, pues las gravitatorias son fuerzas atractivas, y por tanto, tienden a frenar aquello sobre lo que actúan. Sin embargo, los datos que ambos equipos obtuvieron trabajando de forma independiente, contradecían totalmente esta suposición. Hasta el punto que Schmidt admite que ellos mismos estaban convencidos de haber errado en sus cálculos: “Cuando obtuvimos los primeros resultados no solo no dije Eureka, sino que le pregunté a mi compañero Adam Riess: ¿Qué hemos hecho mal?”

Probablemente si el otro equipo no hubiera llegado también a las mismas conclusiones, este descubrimiento habría pasado desapercibido y habría sido archivado como otro más de los numerosos pasos en falso de la Ciencia a lo largo de la historia. Sin embargo, no ocurrió así y la coincidencia de resultados hizo que la comunidad científica los tomara realmente en serio. En el año 1998 la expansión acelerada del Universo fue considerada el descubrimiento del año por la revista Science. Este reconocimiento suponía aceptar que un algo misterioso estaba causando que el Universo se estirara cada vez más rápido, pero… ¿el qué?

Ajuste de cuentas con Einstein

“Si el Universo se estaba expandiendo de una manera acelerada debía de haber una segunda componente que intentara contrarrestar el efecto de la gravedad” apunta Irene Sendra. Esta investigadora en la Universidad del País Vasco y especialista en energía y materia oscura, señala que desde un primer momento se tendió a identificar este misterioso fenómeno con un tipo especial de energía, con la que ya se había topado Einstein años atrás, y que introdujo en sus fórmulas caracterizada con el nombre de constante cosmológica. Sendra aclara cómo a partir del descubrimiento de los dos equipos capitaneados por Schmidt, Riess y Perlmutter, los científicos consideraron urgente encontrar una explicación a la causa de la expansión acelerada del Universo. Para ello, rescataron la constante que Einstein usó en su teoría de la Relatividad General y que representaba la energía que potencialmente debía de darse en el vacío. El gran físico alemán basándose más en intuiciones personales que en una base teórica sólida, supuso que esta energía debería ejercer algún tipo de fuerza que permitiera que sus cálculos le cuadraran con la concepción que se tenía entonces del Universo. Un siglo después, aunque matemáticamente se hayan hecho algunas correcciones, la constante se ha adoptado prácticamente para resolver el mismo problema que se resume en que las cuentas no salen. Aunque Einstein terminó rectificando y refiriéndose a la constante cosmológica como su mayor equivocación, el supuesto fenómeno que quiso mostrar ha sido rebautizado recientemente con el nombre de energía oscura, y los científicos han aceptado mayoritariamente la constante einsteniana como respuesta provisional a las observaciones.

La investigadora Sendra ha tenido la oportunidad de trabajar con otro de los premios Nobel de física de 2011, Adam Reiss, en su tesis doctoral aún sin publicar; Cosmología en un Universo acelerado: observaciones y fenomenología en la que apuesta por una energía oscura dinámica que varía con el tiempo. Esta valenciana es una de los muchos astrofísicos que han decidido subirse al carro de la Cosmología, la más compleja y abierta a la especulación de todas las ramas de la física. Su atractivo es comprensible, ya que pretende explicar el origen del Universo y su evolución a lo largo del tiempo. De modo que es el terreno de los que se atreven a preguntarse por el principio y el fin de todo lo existente. Sin embargo, su camino o método, es también el más peligroso, cuestionado y lleno de obstáculos.

Una complicada relación a distancia

Vincent Martínez, Catedrático de la Universidad de Valencia e Investigador del Observatorio de la misma ciudad, es otro investigador al servicio de la Cosmología. Explica en su artículo Cosmólogos en la oscuridad la gran problemática detrás de la pretensión de esta ciencia al intentar explicar la totalidad del Universo, cuando se encuentra condicionada en gran medida por la lejanía de su objeto de estudio. “La Cosmología no es una ciencia experimental, sino observacional”, afirma el catedrático valenciano que plantea que esta ciencia tiene que conformarse con que las teorías que sostiene en un momento dado, concuerden con las observaciones del presente y las del futuro. “Al contrario de lo que pasa en la Física experimental, los científicos del espacio no pueden modificar el objeto que están estudiando. No pueden controlarlo de ninguna manera; solo pueden observarlo muchas veces, con diferentes tiempos de exposición, bajo distintas frecuencias, u observar varios objetos al mismo tiempo. Este hecho condiciona inevitablemente la manera en la que investigamos y planeamos nuestras observaciones”, explica en el artículo el profesor Martínez.

Un breve repaso por los modelos cosmológicos de Tales de Mileto, Ptolomeo, Copérnico y Kepler deja entrever la gran dificultad que supone el contrastar los modelos teóricos cosmológicos con observaciones condicionadas por lo que los científicos son capaces de ver y medir en el Universo. Nicolás Cardiel, profesor de la Universidad Complutense de Ciencias Físicas, explica en su curso de introducción a la Astronomía y Astrofísica que imparte en el Real Observatorio de Madrid cómo fue Galileo el primero en rechazar un modelo cosmológico mediante la observación. Descubrió que los cuatro satélites de Júpiter orbitaban alrededor del gigante gaseoso, lo que demostraba rotundamente que no todo el Universo giraba en torno a la Tierra. Esta constatación llevó a Galileo a decantarse por el modelo heliocéntrico copernicano, lo que precisamente pone de manifiesto la cara adversa de la Cosmología: su limitación. Esta depende sobre todo de dos factores: las herramientas que se usan para estudiar el firmamento, y si el objeto de estudio en cuestión puede detectarse directamente o no, es decir, si interacciona con la luz

Los científicos del cosmos son muy conscientes de estos condicionantes. Respecto al problema de la instrumentación, Brian Schmidt, por ejemplo, insistió a lo largo de la conferencia en lo muchísimo que le debemos a las nuevas tecnologías, consciente de que la forma que usaron para rastrear el tipo de supernovas que buscaban, ya que la comparación precisa entre sus distancias relativas hubiera sido impensable sin las herramientas tan sofisticadas de las que dispusieron. Pero la inmensidad y complejidad del Universo hace que incluso las más sofisticadas herramientas parezcan a veces pequeñas velas tratando de iluminar la inmensidad del firmamento.

Esta dificultad evidente ha condicionado los conocimientos sobre el Universo desde que el hombre se empezó a preguntar por el cielo estrellado. Sin embargo, la superación de la limitación técnica está en principio en las manos del ser humano, al contrario de lo que pasa con el segundo gran problema que entorpece enormemente el avance de la Cosmología: la oscuridad. Por el momento, la única forma de obtener información de los objetos cosmológicos es a través de la luz con la que interaccionan. “Nuestra única fuente de información es la luz, hay que cogerla y estrujarla”, según el profesor Cardiel, los nuevos instrumentos exprimen cada vez con mejor calidad el espectro de la luz de los fenómenos astronómicos, lo que permite obtener información muy valiosa y no limitada a lo visible para el ojo humano. “La luz es mucho más de lo que se ve; ahora contamos con aparatos capaces de detectar luz ultravioleta e infrarroja, ondas de radio, rayos x, rayos gamma… La imagen del Universo cambia según el tipo de luz que utilizas”, aclara el profesor.

Y se hizo la oscuridad

El desarrollo tecnológico, unido a una mayor capacidad de escrutinio de las ondas lumínicas, ha hecho posible dejar atrás la concepción cosmológica compartida comúnmente hasta hace menos de un siglo. Hasta que Edwin Hubble verificó en 1929 que el Espacio se expandía, se pensaba que no existía nada más allá de nuestra galaxia, el Universo era estático, y todos sus elementos estaban formados por los componentes básicos que estudiamos en nuestros libros de texto: átomos y partículas subatómicas. En un siglo el cuadro del Universo ha cambiado hasta el punto de que ahora mismo aproximadamente el 95% del lienzo ha sido pintado de negro. Sin embargo, tras una gruesa capa de incertidumbre, se esconden distintos fenómenos que han podido detectarse, no a través de la luz sino de forma indirecta.

A partir del descubrimiento de Hubble, los científicos se dieron cuenta de que algunos de esos conglomerados de puntos luminosos que salpicaban el cielo nocturno también eran galaxias cuya distancia a nosotros y cantidad de materia podían medir a partir del estudio de sus respectivos espectros de luz. A medida que los astrónomos iban descubriendo nuevas galaxias, entró en escena el primero de los intrusos que no podía verse ni medirse a través de los telescopios. Zwicky en 1933, fue el primero en acuñar el término “Dark matter” o “Missing matter” (materia oscura o que falta).

“Zwicky vio que las galaxias y los cúmulos se movían demasiado rápido y eso quería decir que había más gravedad de la que aparentemente correspondía según el cálculo de la masa a partir de los espectros de luz de las galaxias. Tenía que haber más masa de la que se veía”, apunta Eduard Salvador, catedrático de Astrofísica de la Universidad de Barcelona. Este astrofísico explica que en aquel momento no estaba muy claro si Zwicky estaba en lo cierto, sin embargo, la existencia de este “algo” de naturaleza desconocida pero de efecto claro quedará confirmada cuando Vera Rubin en los 60, al medir las curvas de velocidad de rotación de las galaxias espirales, concluya en que estas solo pueden comprenderse si dentro de las galaxias hay más materia que la visible. “A partir de este momento ya no hay grandes desacuerdos”, según Salvador. Desde entonces se han ido sumando nuevas evidencias que han confirmado la existencia de materia oscura y que han permitido tantear la cantidad de la misma que tendría que haber en el Universo para que la teoría que sostiene la existencia de esta masa misteriosa cuadrara con el modelo estándar cosmológico comúnmente aceptado por la comunidad científica. Sin embargo las piezas no terminaban de encajar. Era necesario otro elemento más para poder incluir la materia oscura en el rompecabezas: la relativa a la existencia de la energía oscura, que como se ha comentado anteriormente se confirmará finalmente tras el descubrimiento de la expansión acelerada del Universo.

Brian Schmidt esclarecía el importantísimo papel que juegan tanto la energía oscura como la materia oscura en la Cosmología moderna. Aunque la naturaleza de ambas continúe siendo una incógnita, la interacción entre ellas permite explicar la historia del cosmos como un pulso continuado entre energía oscura (energía que empuja) y energía que tira (energía gravitatoria). Esta batalla determina que el Universo se expanda de una forma u otra, y que pase o no posteriormente a contraerse. “La energía oscura parece haber ganado la batalla por el dominio del Universo”, afirmó el Nobel australiano, que añadió que si esta teoría fuera finalmente cierta, seguiríamos viendo estrellas, pero cada vez más separadas entre sí, y el Universo se iría oscureciendo más y más. Sin embargo, Schmidt recordó que en este nuestro “messy Universe” puede pasar cualquier cosa: “La energía oscura puede cambiar en el futuro y detenerse la expansión del Universo, o incluso puede acelerar el cosmos todavía más”, sentenciaba el reconocido astrofísico.

Una imprecisa precisión

Vincent Martínez en su artículo previamente citado, cuestiona la repetida convicción declarada por muchos científicos en distintas comunicaciones de que vivimos en la era de la precisión de la Cosmología. “Necesitamos mantener la existencia de una materia oscura gravitatoria y además el Universo tiene que estar dominado por la exótica energía oscura, que actúa como una especie de gravedad repulsiva.” Para este astrofísico algunos científicos se toman tan en serio la materia y la energía oscura como en su momento se tomaban Ptolomeo y sus compañeros las teorías que conciliaban el modelo geocéntrico con las tempranas observaciones de la moción planetaria. “El descubrimiento de energía oscura no puede ser contado como un éxito, ya que sugiere que existe un factor determinante que se nos está escapando a todos” El catedrático valenciano reivindica que la Cosmología no debe traspasar nunca los límites de la ciencia, lo que implica no dejar nunca de lado la física elemental.

Aunque sobre lo relativo a la energía oscura persiste una fuerte corriente de escepticismo debido a la falta de evidencias, el consenso sobre la existencia de materia oscura es elevado, y por ello hay numerosísimas investigaciones encaminadas a descubrir cuál podría ser la composición de este misterioso tipo de materia. Ahora mismo se consideran tres opciones: enanas marrones que no emiten luz (RAMBOs), agujeros negros (MACHOs), e hipotéticas partículas elementales que no interaccionan con el campo electromagnético como los WIMPs. El catedrático catalán Salvador explica que además se están barajando otros candidatos, como los axiones o las partículas supersiméticas, sin embargo puntualiza que no hay ninguna teoría clara porque todas las que predicen materia oscura se salen del modelo estándar de partículas, la cromodinámica cuántica. Según Salvador los físicos teóricos parecían estar muy cerca de completar el puzle de su modelo estándar, pero desde la Astrofísica y la Cosmología les han añadido nuevas piezas y problemas: “Le hemos pasado la patata a los de partículas- bueno, pues a ver si nos decís que es eso de la materia y la energía oscura porque nosotros lo único que os podemos decir es que tiene estas propiedades y estas cantidades”, argumenta Salvador.

Frente a la incongruencia que supone tener que buscar la explicación de materia oscura fuera del modelo estándar de partículas,  algunos científicos se han negado a rendirse a la opinión dominante en la comunidad científica y rechazan la existencia de la materia oscura.  Entre ellos, por ejemplo Tim Thompson afirma que pueden explicarse las anomalías de la velocidad de rotación de las galaxias sin necesidad de agregar ninguna masa hipotética e invisible, Stacy McGaugh apuesta por las teorías MOND en la que se modifican los valores de la fuerza de la gravedad respecto a los que marca la ley de Newton o en su defecto la Teoría de la Relatividad General conforme nos alejamos mucho de la masa que la genera. Esta reconocida astrónoma americana sostiene que las teorías MOND obtienen valores teóricos de velocidad de rotación de galaxias más ajustados a la realidad que aplicando la hipótesis de materia oscura. Algunos de los problemillas teóricos que suscitaba esta teoría han sido resueltos por la teoría de los TeVes, reafirmado así la importancia de esta línea teórica alternativa.

Juan Ignacio Pérez Sacristán, físico teórico zaragozano, pone en cuestionamiento el papel de la Ciencia en una situación como la presente: “Resulta que tenemos un conjunto grande de resultados que no encajan con las teorías vigentes de la física. ¿Acaso debemos suponer la existencia de un ente inobservable, en la ubicación y masa que nos convenga para que justifique la anomalía? ¿Qué diferencia habría entre una hipótesis así y otra de ángeles celestiales? ¿Qué tiene que decir la filosofía de la ciencia a este respecto?”, se pregunta este físico. Según el mismo, es necesario remitirse al padre de la filosofía de la ciencia, Karl Popper y a su aportación de la falsabilidad, para otorgar a una teoría la categoría de científica. “Una teoría es falsable cuando tiene la capacidad de hacer predicciones, de modo que posteriormente se puede comprobar si la experiencia se ajusta o no a tales predicciones.”, enuncia Pérez Sacristán. Por lo tanto puntualiza que de acuerdo con este criterio, la teoría de la materia oscura no sería una hipótesis científica pues la falta de concreción respecto a su naturaleza permite explicar cualquier circunstancia que se observe por anómala que sea. “No habría caso experimental que se le resistiera” sentencia el físico zaragozano. Concluye señalando que la verdadera forma científica de proceder sería llamar a las cosas por su nombre, con el objetivo de evitar hipótesis no falsables, y admitir las carencias del modelo estándar cosmológico actual que, entre otras cosas, cuenta con una teoría de la gravedad que no es capaz de explicar la dinámica del Universo más allá del perímetro de la Vía Láctea.

Eduard Salvador coincide con esto último y admite que quizás la Relatividad de Einstein deba ser retocada, lo que probablemente supondría un golpe directo en los cimientos de la Cosmología moderna. Sin embargo, puede que se detecte de alguna manera el halo de materia oscura de las galaxias, o quizás surja alguna nueva hipótesis que explique estos fenómenos sin salirse del modelo cosmológico estándar o solo modificándolo ligeramente. Todo parece estar invadido en gran medida por la incertidumbre, pero entre tanta oscuridad, hay algo que está claro: así es como siempre ha avanzado el método científico, respetando sus límites y sin olvidar la famosa frase sostenida por Voltaire en pleno siglo de las Luces: “La Ciencia duda”.

El Despegue de la Cosmología

La Cosmología es el estudio del Universo en su totalidad, la ciencia de la estructura del Espacio a gran escala, su origen y su evolución desde los tiempos más remotos. Empezó a ser considerada una disciplina científica con la introducción en 1937 de la Teoría General de la Relatividad de Albert Einstein, que todavía hoy sirve de marco teórico de referencia universal para el desarrollo de los modelos cosmológicos. Complementa o se superpone a la que en su día sirvió para dar una  explicación teórica  a las observaciones  y a los modelos del Universo, la teoría de la gravitación universal de Newton, de modo que los astrofísicos pueden llegar mucho más lejos en la elaboración de sus teorías de lo que permitía la formulación newtoniana.

Gracias a la genialidad de Einstein, hoy se sabe que la gravedad no es algo tan sencillo como una fuerza que afecta a los objetos empujándolos en una dirección determinada al ser atraídos por otros. Einstein sostenía que una concepción adecuada del Universo requería representarlo no solo en el espacio y sus tres dimensiones, sino también en el tiempo, considerado como una cuarta dimensión.  Haciendo un gran esfuerzo especulativo, como explica Juan Pérez Mercader en su libro ¿Qué sabemos del Universo?, “Einstein propuso que la fuerza de gravedad podía concebirse en cierta manera como la fuerza que se generaría si el espacio y el tiempo no fueran técnicamente euclídeos, no fueran rectilíneos, no fueran planos. Es decir, si el espacio y el tiempo fueran curvilíneos, con el mero transcurrir del tiempo se generalizaría un tipo de fuerza, una especie de fuerza centrífuga, como la que nos saca el agua del vaso cuando entramos en una curva, que sería como la fuerza de gravedad”, explica Mercader. Un ejemplo de este enunciado podría visualizarse imaginando a unas hormigas moviéndose en líneas rectas paralelas en un espacio curvado como, por ejemplo, un globo. Al recorrer cierta distancia sus trayectorias irían acercándolas, y aunque ellas podrían pensar que es la fuerza de la gravedad la causante de ese extraño efecto, la verdadera razón sería la curvatura de la superficie en la que se mueven.  De esta forma, Einstein enriquece la teoría gravitatoria de Newton explicando la fuerza de la gravedad como consecuencia de la curvatura del espacio-tiempo. Una de las implicaciones de esta teoría es  que la masa tiene la capacidad de distorsionar el espacio-tiempo, lo que seguramente podía probarse mediante la observación.

Así lo hizo Sir Arthur Eddington, un astrónomo inglés contemporáneo de Einstein, que estaba al tanto de la teoría relativista y de una de las predicciones que deberían cumplirse si Einstein estuviera en lo cierto, esto es, que cuando la luz pasara cerca de una estrella, al ser esta una masa tan considerable que debía deformar el espacio-tiempo de un modo importante, habría de desviar la trayectoria de la luz. El Lord inglés se dio cuenta que esto sería comprobable en un eclipse total de Sol de modo que organizó una expedición para comprobar la predicción en el eclipse que tendría lugar en mayo de 1919. Las medidas que obtuvo Eddington como resultado de sus expediciones verificaban exactamente lo que predecía la teoría de Einstein.   “Creemos en Einstein porque su teoría predice todo lo que hemos podido demostrar”,  Brian Schmidt refleja mediante esta afirmación la confianza que ha depositado la Cosmología en el marco teórico proporcionado por el físico alemán, que junto a la mejora en las observaciones astronómicas de objetos extremadamente distantes ha permitido a la Cosmología abandonar el resbaladizo terreno de la especulación en la búsqueda científica del origen, destino y evolución del Universo.